Genome immunity: elucidation of the antiviral activity of endogenous bornaviruses and their utilization as functional resources

• Project/Area Number: 20H05682
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Broad Section F
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 朝長 啓造 京都大学, 医生物学研究所, 教授 (10301920)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): Parrish Nicholas 国立研究開発法人理化学研究所, 生命医科学研究センター, 理研白眉研究チームリーダー (40833851)
• Project Period (FY): 2020-08-31 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥191,360,000 (Direct Cost: ¥147,200,000、Indirect Cost: ¥44,160,000); Fiscal Year 2024: ¥37,180,000 (Direct Cost: ¥28,600,000、Indirect Cost: ¥8,580,000); Fiscal Year 2023: ¥37,960,000 (Direct Cost: ¥29,200,000、Indirect Cost: ¥8,760,000); Fiscal Year 2022: ¥37,180,000 (Direct Cost: ¥28,600,000、Indirect Cost: ¥8,580,000); Fiscal Year 2021: ¥37,960,000 (Direct Cost: ¥29,200,000、Indirect Cost: ¥8,760,000); Fiscal Year 2020: ¥41,080,000 (Direct Cost: ¥31,600,000、Indirect Cost: ¥9,480,000)
• Keywords: 内在性ウイルス / ボルナウイルス / ゲノム免疫 / 共進化 / ゲノム多様性 / ウイルス免疫 / 内在性RNAウイルス / 抗ウイルス作用

Outline of Research at the Start

研究代表者は、多くの哺乳動物のゲノムに、レトロウイルスとは異なるRNAウイルスに由来する遺伝配列（内在性ウイルス）が存在していることを発見し、これらが抗ウイルス活性を示すことを明らかにしてきた。本研究は、内在性ウイルスが持つ「ゲノム免疫」の動作原理を解明し、それを利用することで、新たなバイオテクノロジーの創出を目的としている。本研究は、哺乳動物におけるCRISPR/Cas様機構の同定と応用を目指すものであり、その成果は、これまでにない抗ウイルス薬やワクチンの開発につながる。本研究は、世界に先駆けて内在性ウイルスの機能性を確保するものであり、わが国の科学技術イノベーションの発展に大きく貢献する。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、前年度に引き続き、piRNAを発現する内在性ボルナウイルスの抗ウイルス活性を明らかにする目的で、マウスゲノムに存在するpiRNAを発現する3か所のmmEBLNsをノックアウトしたEBLN-KOマウスへの組換えBoDV-1の感染実験を実施した。また、EBLN-KOマウスのpiRNAクラスター領域にBoDV-1のヌクレオプロテイン（N）配列を挿入し、BoDV-1のN mRNAに相補的に結合するpiRNAsを発現するノックインマウス（EBLN-NKI）の作成を行った。さらに、生殖細胞でのmmEBLNsの機能を追究するために、生体を用いた精巣組織へのウイルス感染実験を試みるとともに、成マウスの精細管へのウイルス接種の効率的な方法を検討し、実体顕微鏡下での接種手法を確立した。さらに、幼マウスの精巣3次元培養へのウイルス感染技術も取得した。これらにより、精巣内で高い発現が見られる内在性ボルナウイルス由来のpiRNAsの生体内でのウイルス感染への詳細な役割を今後追究する予定である。また本年度は、内在性ボルナウイルス発現の細胞機能への影響を探るために、ヒト由来内在性ボルナウイルスEBLN-1による宿主遺伝子の発現摂動をRNA-seq解析により検討した。その結果、EBLN1タンパク質もしくはRNAが、細胞の分化・発生経路に関連する宿主因子の発現異常を誘導するとともに、293T細胞においてRNAサイレンシングを抑制する因子として機能することが示された。これらの結果は、ヒト細胞において、EBLN1が宿主のRNAiシステムを阻害することによって、細胞の分化や発生に影響を及ぼす可能性を示唆した。さらに、ヒトゲノムに存在するhsEBLN-3の宿主での適応進化を探るために、hsEBLN-3の配列に存在する機能ドメインやその他の配列の保存性と変異蓄積に関するゲノム進化的解析を実施した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

今年度は、ノックアウトマウスやノックインマウスの作製など生体内での解析、そして精巣の3次元培養など生体材料をこれまで以上に進めた。実験動物や生体材料を用いた解析は時間がかかるとともに、実験結果も安定しないことが多いが、ウイルス感染実験に関しては安定した結果が出せるようになってきた。その意味でも、計画はおおむね順調に進展していると考えている。論文としての発表も準備が進んでおり、最終年度に向けて成果の獲得に進む予定である。

Strategy for Future Research Activity

最終目標である「RNA配列の改変による抗ウイルス活性の制御」に向けて、piRNAクラスターにBoDV-1のヌクレオプロテイン遺伝子配列を組み込んだノックインマウスを用いたウイルス感染実験を実施する。ウイルス感染を抑制できる配列を明らかにすることで、人工的な抗ウイルス活性の制御を試みる。具体的には、EBLN-KOノックアウトマウスとBoDV-1-N ノックインマウスでのウイルス感染効率の比較を、生体や3次元培養を用いた精巣への感染実験にて抗ウイルス活性の強度を明らかにし、配列特異性とを明らかにする。また、細胞内で機能を獲得した内在性ボルナウイルス配列の宿主への適応機構を探るために、内在性ボルナウイルス由来産物の培養細胞内での宿主因子やRNAとの相互作用を網羅的に理解する実験を進める。これまでの成果をもとに、内在性ボルナウイルスの遺伝子産物の発現による細胞機能への影響をオーム解析により明らかにする。成果獲得に向けて論文の執筆を精力的に進める。

Assessment Rating

Interim Assessment Comments (Rating)

A+: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, more progress has been made in research than expected.

Research Products

• [Journal Article] Efficacy of oligodendrocyte precursor cells as delivery vehicles for single-chain variable fragment to misfolded SOD1 in ALS rat model (2023)
  • Author(s): Minamiyama Sumio、Sakai Madoka、Yamaguchi Yuko、Kusui Makiko、Wada Hideki、Hikiami Ryota、Tamaki Yoshitaka、Asada-Utsugi Megumi、Shodai Akemi、Makino Akiko、Fujiwara Noriko、Ayaki Takashi、Maki Takakuni、Warita Hitoshi、Aoki Masashi、Tomonaga Keizo、Takahashi Ryosuke、Urushitani Makoto
  • Journal Title: Molecular Therapy - Methods & Clinical Development Volume: 28 Pages: 312-329
  • DOI: 10.1016/j.omtm.2023.01.008
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ribavirin Treatment for Severe Schizophrenia with Anti-Borna Disease Virus 1 Antibodies 30 Years after Onset (2023)
  • Author(s): Matsunaga Hidenori、Fukumori Akio、Mori Kohji、Morihara Takashi、Sato Shunsuke、Kitauchi Kyoko、Yanagida Kanta、Taguchi Kazumi、Honda Tomoyuki、Tomonaga Keizo
  • Journal Title: Case Reports in Psychiatry Volume: 2023 Pages: 1-6
  • DOI: 10.1155/2023/4899364
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Contact-number-driven virus evolution: A multi-level modeling framework for the evolution of acute or persistent RNA virus infection (2023)
  • Author(s): Sunagawa Junya、Komorizono Ryo、Park Hyeongki、Hart William S.、Thompson Robin N.、Makino Akiko、Tomonaga Keizo、Iwami Shingo、Yamaguchi Ryo
  • Journal Title: PLOS Computational Biology Volume: 19 Issue: 5 Pages: 1011173-1011173
  • DOI: 10.1371/journal.pcbi.1011173
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The hidden diversity of?ancient bornaviral sequences from X and?P genes in?vertebrate genomes (2023)
  • Author(s): Garcia Bea Clarise B、Mukai Yahiro、Tomonaga Keizo、Horie Masayuki
  • Journal Title: Virus Evolution Volume: 9 Issue: 1 Pages: 038-038
  • DOI: 10.1093/ve/vead038
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Reverse genetics of parrot bornavirus 4 reveals a unique splicing of the glycoprotein gene that affects viral propagation (2023)
  • Author(s): Komorizono Ryo、Fujino Kan、Kessler Susanne、Runge Solveig、Kanda Takehiro、Horie Masayuki、Makino Akiko、Rubbenstroth Dennis、Tomonaga Keizo
  • Journal Title: Journal of Virology Volume: 97 Issue: 8 Pages: 00509-00509
  • DOI: 10.1128/jvi.00509-23
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mobile element variation contributes to population-specific genome diversification, gene regulation and disease risk (2023)
  • Author(s): 6.Kojima S, Koyama S, Ka M, Saito Y, Parrish EH, Endo M, Takata S, Mizukoshi M, Hikino K, Takeda A, Gelinas AF, HeatonSM, Koide R, Kamada AJ, Noguchi M, Hamada M; Biobank Japan Project Consortium; Kamatani Y, Murakawa Y, Ishigaki K,Nakamura Y, Ito K, Terao C, Momozawa Y, Parrish NF
  • Journal Title: Nature Genetics Volume: 55 Issue: 6 Pages: 939-951
  • DOI: 10.1038/s41588-023-01390-2
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Exogenous expression of both matrix protein and glycoprotein facilitates infectious viral particle production of Borna disease virus 1 (2022)
  • Author(s): Kanda Takehiro、Sakai Madoka、Makino Akiko、Tomonaga Keizo
  • Journal Title: Journal of General Virology Volume: 103 Issue: 7 Pages: 001767-001767
  • DOI: 10.1099/jgv.0.001767
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Large‐scale investigation of zoonotic viruses in the era of high‐throughput sequencing (2022)
  • Author(s): Kawasaki Junna、Tomonaga Keizo、Horie Masayuki
  • Journal Title: Microbiology and Immunology Volume: 67 Issue: 1 Pages: 1-13
  • DOI: 10.1111/1348-0421.13033
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Reverse Genetics and Artificial Replication Systems of Borna Disease Virus 1 (2022)
  • Author(s): Kanda Takehiro、Tomonaga Keizo
  • Journal Title: Viruses Volume: 14 Issue: 10 Pages: 2236-2236
  • DOI: 10.3390/v14102236
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Borna Disease Virus 1 Phosphoprotein Forms a Tetramer and Interacts with Host Factors Involved in DNA Double-Strand Break Repair and mRNA Processing (2022)
  • Author(s): Tarbouriech Nicolas、Chenavier Florian、Kawasaki Junna、Bachiri Kamel、Bourhis Jean-Marie、Legrand Pierre、Freslon Lily L.、Laurent Estelle M. N.、Suberbielle Elsa、Ruigrok Rob W. H.、Tomonaga Keizo、Gonzalez-Dunia Daniel、Horie Masayuki、Coyaud Etienne、Cr?pin Thibaut
  • Journal Title: Viruses Volume: 14 Issue: 11 Pages: 2358-2358
  • DOI: 10.3390/v14112358
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A comprehensive profiling of innate immune responses in <i>Eptesicus</i> bat cells (2022)
  • Author(s): Lin Hsien‐Hen、Horie Masayuki、Tomonaga Keizo
  • Journal Title: Microbiology and Immunology Volume: 66 Issue: 3 Pages: 97-112
  • DOI: 10.1111/1348-0421.12952
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An endogenous bornavirus‐like nucleoprotein in miniopterid bats retains the RNA‐binding properties of the original viral protein (2022)
  • Author(s): Mukai Yahiro、Horie Masayuki、Kojima Shohei、Kawasaki Junna、Maeda Ken、Tomonaga Keizo
  • Journal Title: FEBS Letters Volume: 596 Issue: 3 Pages: 323-337
  • DOI: 10.1002/1873-3468.14290
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A Human Endogenous Bornavirus-Like Nucleoprotein Encodes a Mitochondrial Protein Associated with Cell Viability (2021)
  • Author(s): Fujino Kan、Horie Masayuki、Kojima Shohei、Shimizu Sae、Nabekura Aya、Kobayashi Hiroko、Makino Akiko、Honda Tomoyuki、Tomonaga Keizo
  • Journal Title: Journal of Virology Volume: 95 Issue: 14
  • DOI: 10.1128/jvi.02030-20
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Hidden Viral Sequences in Public Sequencing Data and Warning for Future Emerging Diseases (2021)
  • Author(s): Kawasaki Junna、Kojima Shohei、Tomonaga Keizo、Horie Masayuki
  • Journal Title: mBio Volume: 12 Issue: 4
  • DOI: 10.1128/mbio.01638-21
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mammalian antiviral systems directed by small RNA (2021)
  • Author(s): Takahashi Tomoko、Heaton Steven M.、Parrish Nicholas F.
  • Journal Title: PLOS Pathogens Volume: 17 Issue: 12 Pages: e1010091-e1010091
  • DOI: 10.1371/journal.ppat.1010091
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Virus-like insertions with sequence signatures similar to those of endogenous non-retroviral RNA viruses in the human genome. (2021)
  • Author(s): Kojima S, Yoshikawa K, Ito J, Nakagawa S, Parrish NF, Horie M, Kawano S, Tomonaga K.
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Volume: 118 Issue: 5
  • DOI: 10.1073/pnas.2010758118
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Development of a reverse genetics system for Borna disease virus 2 unveils a unique strategy to maintain viral genomic diversity in the persistently infected cells (2023)
  • Author(s): Takehiro Kanda, Pauline Santos, Dirk Hoper, Martin Beer, Dennis Rubbenstroth, Keizo Tomonaga
  • Organizer: 第21回あわじ感染症・免疫国際フォーラム
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ゲノムワイドCRISPRスクリーニングによるボルナウイルスの転写・複製・持続感染に関わる宿主因子の探索 (2023)
  • Author(s): 松郷宙倫、遊佐宏介、牧野晶子、朝長啓造
  • Organizer: 日本獣医学会学術集会
• [Presentation] Ancient bornaviral X and P genes are endogenously expressed as a chimeric mRNA with ZNF451 gene in miniopterid bat cells (2023)
  • Author(s): Bea Clarise B. Garcia, Yahiro Mukai, Keizo Tomonaga, Masayuki Horie
  • Organizer: 第70回日本ウイルス学会学術集会
• [Presentation] ボルナ病ウイルスはヘパラン硫酸プロテオグリカンを細胞への接着に用いる (2023)
  • Author(s): 福岡 大空、松郷 宙倫、朝長 啓造
  • Organizer: 第70回日本ウイルス学会学術集会
• [Presentation] ボルナウイルスのGタンパク質を被ったVSVシュードタイプの効率的な作出方法の開発 (2023)
  • Author(s): 秋葉優沙、松郷宙倫、朝長啓造
  • Organizer: 第70回日本ウイルス学会学術集会
• [Presentation] Pathogenicity of variegated squirrel bornavirus. (2022)
  • Author(s): Makino, A., Fujino, K., Tomonaga, K.
  • Organizer: International Union of Microbiological Societies
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Unsteady elongation at 3’ terminal of genomic RNA determines replication efficiency of Borna disease virus 1. (2022)
  • Author(s): Kanda, T., Horie, M., Tomonaga, K.
  • Organizer: 第23回日本RNA学会年会
• [Presentation] Intranuclear viral RdRp of Borna disease virus 1 interferes with host RNA maturation and metabolism. (2022)
  • Author(s): Kaneko, M., Komorizono, R., Makino, A., Tomonaga, K.
  • Organizer: 第20回あわじ感染と免疫国際フォーラム
• [Presentation] 公共データの再利用によるRNAウイルス配列の大規模調査 (2022)
  • Author(s): 川崎純菜、小嶋将平、朝長啓造、堀江真行
  • Organizer: 日本バイオインフォマティクス学会年会・第11回生命医薬情報学連合大会
• [Presentation] Product of a human endogenous bornavirus-like element suppresses RNA interference in mammalian cells. (2022)
  • Author(s): Komorizono, R., Kawanaka, M., Yoshizumi, S., Tomonaga, K.
  • Organizer: 第69回日本ウイルス学会学術集会
• [Presentation] The hidden diversity of ancient bornaviral sequences from X and P genes in vertebrate genomes. (2022)
  • Author(s): Bea Garcia, Yahiro Mukai, Keizo Tomonaga, Masayuki Horie.
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 希少感染症から探究するネオウイルス学 (2021)
  • Author(s): 朝長啓造
  • Organizer: 第41回阿蘇シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] ボルナウイルス研究とネオウイルス学 (2021)
  • Author(s): 朝長啓造
  • Organizer: 九州微生物研究フォーラム
  • Invited
• [Presentation] Investigation of the innate immune responses in Eptesicus bat cell lines (2021)
  • Author(s): Lin HH, Mukai Y, Komorizono R, Horie M, Tomonaga K.
  • Organizer: 第68回日本ウイルス学会学術集会
• [Presentation] A mouse model to test for EVE-derived antiviral activity against Borna disease virus. (2021)
  • Author(s): Koide R, Abe T, Kamada AJ, Saito Y, Guerrini M, Fujii A, Parrish EH, Horie M, Kiyonari H, Koyasu S, Yamamoto K, Tomonaga K, Parrish NF.
  • Organizer: 第68回日本ウイルス学会学術集会
• [Presentation] ボルナウイルスのインテグレーション効率と内在化の集団遺伝学シミュレーション解析 (2021)
  • Author(s): 岩田美智子，堀江真行，長田直樹，川崎純菜，朝長啓造．
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Comprehensive analysis of viral fossil records to infer the history of RNA viral infections on a geological timescale. (2020)
  • Author(s): Kawasaki J, Kojima S, Mukai Y, Tomonaga K, Horie M.
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会
• [Presentation] A large-scale metaviromic analysis contributed to a deeper understanding of the evolution viruses: An example of deltaviruses in vertebrates. (2020)
  • Author(s): Horie M, Iwamoto M, Shibata Y, Kawasaki J, Kojima S, Wada K, Watashi K, Tomonaga K.
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会
• [Book] ネオウイルス学 (2021)
  • Author(s): 河岡義裕他
  • Total Pages: 315
  • Publisher: 集英社
• [Remarks] 京都大学医生物学研究所
  • URL: https://www.infront.kyoto-u.ac.jp/
• [Remarks] 京都大学医生物学研究所朝長研究室
  • URL: https://t.rnavirus.virus.kyoto-u.ac.jp/
• [Remarks] 京都大学ウイルス・再生医科学研究所朝長研究室
  • URL: https://t.rnavirus.virus.kyoto-u.ac.jp/
• [Remarks] 京都大学ウイルス・再生医科学研究所
  • URL: https://www.infront.kyoto-u.ac.jp/